非穩態溶解氧環境下廢水生物處理研究進展

非穩態DO環境：

非穩態DO環境是指處理過程中反應器內的DO濃度呈現為不穩定狀態，此環境可以營造良好的好氧硝化/缺氧反硝化交替過程，在顯著節能的同時還可提高系統去除有機物及脫氮的效果。活性污泥法是廢水處理過程中廣泛使用的方法。在傳統的好氧處理中，連續穩定的曝氣可使反應器內保持穩定的溶解氧(DO)環境，滿足硝化對氧的需求，但不能實現缺氧反硝化，因此，雖能達到一定的氨氮去除效果，但總氮去除效果較差。非穩態DO環境是指處理過程中反應器內的DO濃度呈現為不穩定狀態，此環境可以營造良好的好氧硝化/缺氧反硝化交替過程，在顯著節能的同時還可提高系統去除有機物及脫氮的效果。

SBR、氧化溝、混合脈沖等工藝在運行中都具有非穩定DO環境的特征。SBR使整個工作周期呈間歇曝氣方式運行，可在同一反應器內實現交替好氧、缺氧環境。傳統氧化溝工藝的曝氣池是循環式溝渠，污水和活性污泥混合液在其中流動，利用轉刷曝氣提供溶解氧并使混合液處于完全混合狀態;由于曝氣裝置只安裝在氧化溝的一處或幾處，反應器內DO濃度頻繁變化。脈沖曝氣是在好氧活性污泥法的基礎上將連續曝氣改為脈沖曝氣，從而實現高、低DO濃度交替的環境，提高脫氮除磷的效率。

在分析反應器內非穩態DO濃度變化規律的基礎上，綜述了非穩態DO環境下廢水生物處理效果及研究現狀，并對其研究發展趨勢進行了展望，以期為廢水處理提供一條節能降耗并達到高標準處理效果的途徑。

1、 非穩態DO變化規律

在SBR工藝中，系統進水、沉淀期間為缺氧階段，DO較低，當開始曝氣反應時，DO上升，但由于污水負荷較高，DO上升幅度不大;隨著污水中有機物的降解，微生物的需氧量減少，于是DO上升幅度增大;隨后在沉淀及出水的不曝氣階段，DO開始下降，降低到初缺氧階段的DO濃度，并持續到下一曝氣階段。正常情況下，曝氣階段DO高于1.5mg/L，當曝氣停止時，DO下降到1.5 mg/L以下。

在傳統氧化溝中，由于采用表曝機供氧、推流，易于形成DO梯度。近曝氣點區域DO濃度高，離曝氣點越遠，DO濃度越低，因此在同一溝渠形成了交替好氧和缺氧的區域，多溝條件下更明顯。其中，近曝氣點區域的DO可以達到2.25mg/L，遠離曝氣點區域DO降至0.5 mg/L以下，甚至為0。

在脈沖曝氣方式下，1個工作周期內，曝氣瞬間DO急劇升高，之后穩定在某一范圍，此時系統為好氧狀態;停曝瞬間DO會急劇下降，之后維持在某一較低值，系統處于缺氧或厭氧狀態。曝氣/停曝頻繁交替強化了系統好氧—缺氧—厭氧環境的交替變化。在停曝末，DO較低或為0，當開始曝氣后，DO將以大速率提高，能夠達到較高的溶氧水平。S.Lochmatter等發現，在脈沖曝氣方式下，曝氣時，DO迅速上升，可達到飽和溶解氧的50%，并在曝氣階段維持相對穩定;停曝時，DO迅速下降到0，并持續到下一周期曝氣開始。

2、 非穩態DO環境下廢水生物處理效果

2.1 非穩態DO環境下廢水有機物的去除及脫氮效果分析

在廢水處理中，連續穩定的曝氣易導致硝化菌長期積累，抑制反硝化作用的發生。而非穩態DO環境下的周期性好氧、缺氧、厭氧環境，可使活性污泥絮體內部形成適宜的DO梯度分布。在DO濃度較高的時段或區域，硝化細菌將氨態氮氧化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，而在DO濃度較低的時段或區域，反應池內處于缺氧狀態，微生物利用有機物為氫供體使硝態氮反硝化，還原成N2或NxOy后排入大氣，從而達到脫氮目的。同時在缺氧階段NO3--N以及NO2--N能夠代替分子O2作電子受體，繼續氧化污水中的有機污染物，進而能夠降低好氧階段的有機負荷。在SBR處理屠宰廢水工藝中，當曝氣50 min，停曝50 min時，廢水中COD、TN的去除率可分別達到97%和94%。通過改變CASS工藝的運行方式，采用好氧脈沖曝氣，當曝氣、停曝時間分別為5、5 min時，有機物及氮的去除率都能達到80%以上。此外，通過控制氧化溝DO濃度及分布，可以實現氧化溝外溝道內的同時硝化反硝化生物脫氮，TN去除率高可達86%。G. Yilmaz等通過好氧活性污泥實驗研究指出：停曝階段DO迅速降低，導致污泥顆粒絮凝成的緊密污泥床結構形成了一個完全缺氧的環境，因此發生了停曝階段的反硝化脫氮，進一步提高了系統的脫氮效率。采用非穩態的曝氣方式，當DO從3.5~5.0 mg/L降低到0.5~1.2 mg/L時，系統的脫氮率可以達到94.9%，且無需外加碳源。這是由于反硝化程度取決于缺氧階段有機碳的供給程度，非穩態DO環境有利于節省碳源消耗，使更多的碳源用于反硝化脫氮，從而提高了系統整體脫氮效率。

2.2 非穩態曝氣方式下的系統能耗

近年來的研究表明，非穩態的曝氣方式能夠在出水水質達標的基礎上節省大量曝氣能耗，而且該種曝氣方式能很好地運用于普通好氧活性污泥法的改造中。與連續曝氣相比，采用非穩態的曝氣方式縮短了曝氣時間，其曝氣量可比連續曝氣節省33%。另外，非穩態的DO環境由于存在DO濃度梯度，因而每次曝氣時氧轉移的推動力大，溶氧效率高，因此實際節省的能耗還會更高。H. Doan等進行了利用非穩態曝氣改造普通的好氧連續曝氣工藝實驗，實驗結果表明，當設定一個適當的停曝/曝氣時間循環時，在一個完整的實驗過程中，在BOD5完全去除的基礎上，和普通的好氧連續曝氣相比，非穩態曝氣能夠節省約27%~58%的能源。

MBR由于能耗較傳統工藝更高，其推廣應用受到了限制，而利用脈沖曝氣可以減少MBR膜擦洗風量，并能通過高、低DO濃度切換降低MBR的能耗。在生物接觸氧化法中，由于連續曝氣使水中懸浮物和老化生物膜黏附在填料表面，阻礙了水體與生物膜之間的物質交換。采用脈沖曝氣，短時間、高強度的曝氣能有效沖刷生物膜表面，促進生物膜更新及物質交換，其效果好于傳統的連續曝氣，可以節省60%~80%氣量。

2.3 非穩態DO環境下的剩余污泥量

在大多數廢水生物處理工藝中，微生物生長產生的大量剩余污泥是廢水處理過程中面臨的重要問題。而非穩態的DO變化可給微生物提供一個交替好氧和厭氧的環境，使細菌在好氧階段所獲ATP不能立即用于合成新的細胞，而是在厭氧段作為維持細胞生命活動的能量被消耗，微生物分解和合成代謝相對分離，細菌的凈合成量降低，進而污泥產量減少。S. J. Jung等通過對比試驗得出：運用非穩態曝氣方式，營造好氧/厭氧的微生物生長環境，能夠降低剩余污泥量，且曝氣/停曝循環周期越短，剩余污泥量降低越明顯。黃天寅等研究發現，在間歇曝氣期間，細胞靠混合液中硝酸鹽所釋放出的低分子氧進行呼吸，由于無機電子接受體氧化還原電位比氧高，因而在缺氧呼吸中釋放的ATP也較少。

好氧和厭氧的微生物環境變化導致專性需氧或厭氧微生物的死亡并被其他細菌所利用，提高了污泥細胞自身的氧化速率，從而降低了剩余污泥產量。J. J. Chang等的浸入式膜生物反應器試驗研究結果表明，與穩態的DO環境相比，非穩態的DO環境不僅使細菌微生物能夠適應好氧/缺氧的環境，而且能夠大大提高污泥中細菌的數量，從而增強細菌自身的氧化和代謝能力，降低剩余污泥產量。

3、 非穩態DO環境下廢水生物處理研究展望

在廢水生物處理中，硝化和反硝化脫氮過程會產生大量的溫室氣體N2O，其產生量與DO濃度密切相關。目前，關于非穩態DO環境對N2O排放通量的影響尚無明確定論。J.H. Ahn等通過對美國12個污水處理廠N2O排放通量進行調查發現，頻繁交替的好氧/缺氧環境會提高N2O的排放通量。因為非穩態的DO環境溶氧效率高，充氧能力強，而較高DO濃度是硝化過程中N2O產生的主要原因。Y.Kimochi等則通過非穩態曝氣處理城鎮污水的試驗指出，相對于傳統的持續曝氣，非穩態曝氣營造的非穩態DO環境可減少系統中N2O的排放，且好氧階段時間越短，N2O排放通量越低。ZhenHu等通過研究提出，非穩態曝氣營造的好氧/厭氧環境有利于節省碳源的消耗，使缺氧反硝化碳源供應較為充足，從而減少N2O的排放。因此，如何控制合適的DO濃度和好氧/缺氧階段的比例是非穩態DO環境下減少N2O排放通量的關鍵。

另外，廢水生物處理中存在大量的SMP(溶解性微生物產物)，其生物降解性較差，不僅使系統出水有機物含量無法達標，而且還會影響活性污泥的性能。目前，關于非穩態DO環境對SMP產生量的影響也無明確定論。范吉等通過SBR處理生活污水試驗指出，相對于傳統的好氧條件，好氧/缺氧運行方式營造的非穩態DO環境能夠降低出水中SMP產出量，這是因為微生物處于好氧環境的時間減少，導致了SMP的產生量減少。

等則通過SBR工藝處理合成廢水試驗指出，非穩態的DO環境溶氧效率高，充氧能力強，不僅縮短了缺氧段的反應時間，而且提高了反應器內的DO水平，較高DO濃度導致了SMP的產生量增加。S.G. Lu等在對MBR工藝的研究中指出，盡管在較低的DO濃度條件下，生物量活性的降低導致SMP的產生量減少，但SMP的生物降解性會降低;當DO上升到3mg/L時，較高的DO濃度使反應器內微生物代謝活性增強，SMP的產生量必然高于低DO濃度條件下的產生量，但SMP的生物降解性會提高，終出水中SMP的含量將取決于不同DO濃度下SMP產生量與降解量的差值。因此，在非穩態DO環境下，如何控制合適的DO濃度以及建立非穩態DO環境下可控的SMP生成與降解模型，以優化污水處理效果、保證出水水質的研究將顯得越來越重要。